Содержание к диссертации
Введение
1. Роль моторно-трансмиссионных установок в формировании эффективности КГМ с ДВО. Проблемы совершенствования 21
1.1 .Роль моторно-трансмиссионных установок в формировании эффективноста КГМ 21
1.1.1 .Классификация КГМ и их эффективность 21
1.1.2.Роль двигателей и трансмиссий в совершенствовании характеристик моторно-трансмиссионных установок 29
1.1.3 .Анализ концепций совершенствования двигателей 32
1.2. 3адачи совершенствования, динамика, и перспективы применения ДВО .. 36
1.3.Научная проблема, цели и задачи исследования 47
2. Концепция совершенствования характеристик МТУ для повышения эффективности КГМ на стадии проектирования 58
2.1 .Объекты и предмет исследования 58
2.2. Системный подход к исследованию и разрешению проблемы совершен ствования характеристик МТУ 66
2.3.Возможности совершенствования характеристик МТУ и повышения эффективности КГМ 72
2.3.1.Возможности совершенствования характеристик МТУ и повышения эффективности тяговых КГМ 73
2.3.2.Возможности совершенствования характеристик МТУ и повышения эффективности транспортных КГМ 83
2.4.Концепция совершенствования характеристик МТУ для повышения эф фективности КГМ 90
2.5 Методы и средства совершенствования энергопреобразований в МТУ для стабилизации их характеристик 96
2.5.1.Метод обеспечения рациональной удельной мощности КГМ 96
2.5.2.Метод снижения потерь средней выходной мощности МТУ тяговых КГМсГМТ 101
2.5.3.Метод повышения топливной экономичности транспортных КГМ 104
3. Основы анализа и синтеза стабильности характеристик МТУ и двигателей на стадии проектирования 108
3.1. Система условий работоспособности 108
3.2. Методы синтеза стабильности характеристик МТУ, двигателей и их подсистем на стадии проектирования 116
3.2.1.Принципы, сущность, классификация и последовательность применения методов стабилизации характеристик 116
3.2.2.Взаимосвязь показателей функционирования и ограничительных параметров 125
3.2.3.Метод нормирования 128
3.2.4.Метод нагрузочного резервирования 131
3.2.5.Метод снижения чувствительности к возмущениям (метод регулирования) 133
3.2.6.Метод аварийной защиты 137
3.2.7.Метод уменьшения области возмущений 139
3,2.8.Эффективность методов стабилизации характеристик 141
4. Анализ стабильности характеристик дизелей воздушного охлаждения на стадии проектирования 150
4.1. Допустимые значения ограничительных параметров МТУ и ДВО 150
4.1.1 .Тепловыделение в ГМТ 150
4.1.2.Параметры тепловой нагруженности и напряженности ДВО 151
4.1.3.Параметры рабочего цикла 159
4.1 АУсловия производства и применения 161
4.2.Частные методики моделирования процессов энергопреобразований в двигателе и моторном отсеке 163
4.2.1. Особенности математического моделирования процессов энергопреобразований в двигателе и моторном отсеке 163
4.2.2. Особенности экспериментального моделирования процессов энерго преобразований в двигателе и моторном отсеке 175
4.3. Исследование стабильности характеристик ДВО при действии возмущений 177
4.3.1. Потенциальный уровень показателей и параметров ДВО 177
4.3.2.Классификация возмущений 183
4.3.3 .Влияние детерминированных возмущений 187
4.3.4.Влияние случайных возмущений, обусловленных культурой производства 191
4.3.5.Влияние случайно-детерминированных и случайных возмущений, связанных с условиями применения 196
4.3.5.1 .Влияние природно- климатических условий 196
4.3.5.2.Влияние случайных возмущений, связанных с условиями применения 203
4.3.6.Причины снижения стабильности характеристик двигателей при действии возмущений 205
5. Методы и средства совершенствования энергопреобразований для стабилизации характеристик ДВО при форсировании и применении в сложных условиях 210
5.1.Эффективность совершенствования энергопреобразований в форсированном ДВО 210
5.1.1.Условия работоспособности форсированного ДВО 210
5.1.2. Влияние параметров наддувочного воздуха, турбокомпрессоров и охладителей 214
5.1.3.Эффективность перераспределения тепловых потоков в охлаждающий воздух 222
5.2.0беспечение стабильности характеристик форсированных ДВО совершенствованием энергопреобразований применением метода параметрической избыточности 230
5.3.Обеспечение стабильности характеристик форсированных ДВО совершенствованием энергопреобразований применением методов регулирования и аварийной защиты 235
5.3.1.Эффективность регулирования угла опережения впрыска топлива 237
5.3.2.Эффективность корректирования подачи топлива 240
5.3.3.Эффективность регулирования степени охлаждения наддувочного воздуха 245
5.3.4.Эффективность терморегулирования 252
5.3.5. Эффективность системы аварийной защиты и сигнализации 254
6. Методы и средства совершенствования процессов энергопреобразо ваний в рабочем цикле для стабилизации характеристик ДВО 261
6.1.Условия работоспособности и основы совершенствования рабочего цикла 261
6.2.Теоретические возможности совершенствования рабочего цикла и повышения стабильности его характеристик 262
6.2.1.Возможности совершенствования рабочего цикла при пристеночном смесеобразовании 262
6.2.2.Возможности совершенствования рабочего цикла при объемном и объемно-пленочном смесеобразовании 266
6.3.Методы и средства совершенствования и стабилизации характеристик рабочего цикла при различных способах смесеобразования 273
6.3.1.Пристеночное смесеобразование 273
6.3.2.0бъемно-пленочное смесеобразование 275
6.3.3.Объемное смесеобразование 286
6.3.4.Эффективность совершенствования рабочего цикла при различных способах смесеобразования 290
6.4.Совершенствование рабочего цикла и стабилизация его характеристик применением разделенного впрыска топлива 293
6.4.1.Организация разделенного впрыска топлива. Разработка и исследова ние топливной аппаратуры 293
6.4.2.Эффективность и перспективы применения разделенного впрыска топлива 311
7. Методы и средства совершенствования и стабилизации характеристик систем воздушного охлаждения 328
7.1 .Условия работоспособности и рациональные параметры СВО 328
7.2.Влияние возмущений на стабильность характеристик СВО 336
7.3.Совершенствование и стабилизация характеристик СВО при форсировании двигателя 348
8. Методы и средства стабилизации характеристик ДВО при применении в моторных отсеках с ограниченным воздухообменом 354
8.1.Условия работоспособности ДВО при применении в моторных отсеках с ограниченным воздухообменом 354
8.2.Обеспечение стабильности характеристик ДВО совершенствованием энергопреобразований в двигателе и отсеке 362
8.3.Обеспечение стабильности характеристик ДВО совершенствованием конструкции моторных отсеков 366
Заключение 372
Список литературы 378
Приложения 395
- 3адачи совершенствования, динамика, и перспективы применения ДВО
- Системный подход к исследованию и разрешению проблемы совершен ствования характеристик МТУ
- Методы синтеза стабильности характеристик МТУ, двигателей и их подсистем на стадии проектирования
- Исследование стабильности характеристик ДВО при действии возмущений
Введение к работе
Повышение эффективности колесных и гусеничных машин (в дальнейшем транспортных и тяговых КГМ), в частности многоцелевых автомобилей и бульдозерно-рыхлительных агрегатов на базе промышленных тракторов, по-прежнему остается главной проблемой их совершенствования. Это особенно актуально для КГМ с дизелями воздушного охлаждения (ДВО), обладающих существенными преимуществами в сложных и экстремальных условиях применения, по сравнению с более распространенными дизелями жидкостного охлаждения. Решение этой проблемы во многом связано с оптимизацией основных энергетических характеристик моторно-трансмиссионных установок (МТУ), что способствует достижению максимальной производительности агрегатов на базе тяговых КГМ и максимальной экономичности при требуемой средней скорости движения транспортных машин. Существующие концепции и методы оптимизации и реализации характеристик МТУ рассматривают двигатели и трансмиссии как самостоятельные объекты оптимизации и основаны на допущении о стабильности характеристик двигателя и трансмиссии независимо от их технического состояния и условий применения.
Практика показывает, что под действием многочисленных производственных и эксплуатационных факторов (в дальнейшем возмущений) снижается качество процессов энергопреобразований в двигателе, прежде всего в его рабочем цикле. При этом возрастают энергетические потери в двигателе, более чем на 15-20 % снижается его мощность, существенно ухудшаются характеристики топливной экономичности, дымности и токсичности отработавших газов, теплонагруженности и т.д. Это недооценивается при проектировании МТУ и приводит к рассогласованию характеристик двигателя и трансмиссии, дополнительному росту потерь в процессах энергопередачи между ними и энергопреобразований в трансмиссиях. В результате ухудшаются характеристики МТУ, а эффективность КГМ в целом снижается до недопустимого уровня, составляющего в ряде случаев 40-60 % от требуемого. Это наиболее существенно для тяговых машин, в частности агрегатов на базе промышленных тракторов с гидромеханическими трансмиссиями (ГМТ). Если при рассогласовании характеристик двигателя и механической трансмиссии (МТ) ухудшение производительности агрегата практически пропорционально снижению мощности двигателя, то при применении ГМТ это приводит к усиливающемуся снижению производительности, иногда до 1,5-2 раз. Рассогласование характеристик двигателей и трансмиссий в транспортных машинах, в частности многоцелевых автомобилях с МТ, приводит к нарушению согласованности области наилучшей экономичности по характеристике двигателя, достигаемой при проектировании, с областью эксплуатационных режимов его работы и ухудшению экономичности на 20-30 %. Поэтому необходимо рассмотрение МТУ с позиций системного подхода прежде всего для обоснования области допустимого изменения характеристик двигателя, обеспечивающей стабильность характеристик МТУ и необходимую эффективность КГМ в целом с различными типами трансмиссий. Ввиду недостаточной разработанности этих требований, существующие концепции и методы совершенствования двигателей также рассматривают их как самостоятельные объекты оптимизации, не уделяя должного внимания стабилизации их характеристик при работе в составе МТУ. Это в полной мере относится к ДВО, потенциальные преимущества которых могут быть реализованы только при техническом уровне, достигнутом на аналогичных дизелях жидкостного охлаждения и при поддержании соответствующей стабильности их характеристик в производстве и эксплуатации.
Таким образом, налицо несоответствие между современными требованиями, устанавливающими необходимость повышения эффективности КГМ, и традиционными методами проектирования. Последние не в полной мере реализуют принципы системного подхода, не рассматривают МТУ как энергопреоб-разующую систему, состоящую из подсистем: двигателя и трансмиссии и не учитывают действие многочисленных производственных и эксплуатационных факторов. Это свидетельствует об актуальности научной проблемы, заключаю 12 щейся в разработке методологии совершенствования и стабилизации характеристик МТУ для обеспечения требуемой эффективности КГМ на стадии проектирования.
Цель работы - повышение эффективности КГМ с дизелями воздушного охлаждения на основе определения допустимого изменения характеристик МТУ и двигателей, разработки методов и средств их обеспечения за счет снижения потерь в процессах энергопреобразований.
Цель достигается постановкой и решением следующих задач:
1. Развить методологию совершенствования и стабилизации характеристик МТУ как энергопреобразующей системы, состоящей из двигателя и трансмиссии, для чего:
- разработать модель энергопреобразований в системе «двигатель-трансмиссия», обосновать показатели оценки их совершенства для системы в целом и её элементов и установить область допустимого изменения характеристик двигателей с позиций обеспечения стабильности характеристик МТУ и требуемой эффективности КГМ в зависимости от их назначения и типа трансмиссий;
- развить концепцию МТУ(системы), рассматривающую двигатели и трансмиссии как подсистемы и предусматривающую обеспечение стабильности и согласованности их характеристик на стадии проектирования с учетом влияния производственных и эксплуатационных факторов;
2. Разработать методы, средства и алгоритмы решения задач анализа стабильности характеристик энергопреобразующих систем и их элементов (МТУ, двигатели и трансмиссии), для чего:
- сформулировать систему условий их работоспособности и разработать показатели качественной и количественной оценки стабильности их характеристик при действии различных факторов (возмущений);
- систематизировать основные производственные и эксплуатационные факторы (возмущения), влияющие на стабильность указанных характеристик, определить закономерности её изменения при действии возмущений; 3. Разработать методы, средства и алгоритмы решения задач синтеза характеристик энергопреобразующих систем и их элементов с требуемой стабильностью (МТУ, двигатели и трансмиссии), для чего:
- систематизировать и исследовать общие методы повышения стабильности характеристик, разработать критерии оценки эффективности методов и определить условия их применения в зависимости от характеристик систем и возмущений;
4. Определить пути совершенствования процессов энергопреобразований в двигателях, разработать методы и средства их реализации для повышения технического уровня дизелей воздушного охлаждения и стабилизации их характеристик при форсировании, установке в моторные отсеки с ограниченным воздухообменом и применении в сложных и экстремальных условиях.
Объекты исследования - МТУ с различными типами трансмиссий и моторных отсеков тяговых и транспортных КГМ с форсированными ДВО (бульдозерно- рыхлительный агрегат на базе промышленного трактора кл. 35, многоцелевые автомобили и шасси 6x6 и 8x8, транспортеры-тягачи типа МТ-ЛБ, ДВО типа ЧВН 15/16, ЧВ и ЧВН 12/12,5 и ЧВН 12/13).
Предмет исследования - закономерности процессов энергопреобразований в двигателях и МТУ, обеспечивающие эффективность тяговых и транспортных КГМ в различных условиях производства и применения.
Методы исследований и достоверность результатов. Исследования проведены с позиций системного подхода с использованием методов теории двигателей, тракторов и автомобилей, математического и физического моделирования. Достоверность результатов обосновывается: подтверждением теоретических результатов экспериментальными; применением экспериментальных методов исследования КГМ, МТУ и двигателей, соответствующих государственным стандартам; использованием современных средств измерений и испытательного оборудования; сопоставлением результатов с данными других исследований. Научная новизна. В диссертации:
- развита методология совершенствования и стабилизации характеристик МТУ для повышения эффективности КГМ за счет обеспечения стабильности и согласованности характеристик двигателей и трансмиссий. Она основана на концепции МТУ, рассматривающей двигатели и трансмиссии как подсистемы, рациональные параметры которых определяются относительно требуемых выходных показателей МТУ (системы) и эффективности КГМ (надсистемы) и учитывающей на стадии проектирования производственные и эксплуатационные факторы;
- определены требования к области допустимого изменения характеристик двигателя, дифференцированные в зависимости от назначения КГМ и типа трансмиссий, выполнение которых обеспечивает стабильность характеристик МТУ и требуемую эффективность КГМ в целом;
- сформулированы условия обеспечения стабильности характеристик энергопреобразующих систем (МТУ, двигателя, трансмиссии и т.д.) в виде критериев работоспособности, базирующиеся на установленных закономерностях изменения потерь в процессах энергопреобразований в двигателе и трансмиссии и при энергопередаче между ними. Разработаны показатели качественной и количественной оценки стабильности характеристик энергопреобразующих систем;
- разработаны методы и алгоритмы решения задач анализа и синтеза характеристик энергопреобразующих систем (МТУ, двигателей, трансмиссий) с требуемой стабильностью характеристик;
- разработаны методики исследования и методы выбора рациональных параметров процессов энергопреобразований в дизелях воздушного охлаждения, обеспечивающих требуемую стабильность их характеристик при форсировании и применении в сложных условиях;
- обоснован ограничительный параметр - экономически целесообразная теплоотдача в воздух, охлаждающий детали, достижение которого является пределом эффективности воздушного охлаждения. Установлены закономерно 15 сти изменения этих пределов в зависимости от уровня форсирования ДВО и условий их применения.
Новизна технических решений подтверждена 7 авторскими свидетельствами, свидетельствами и патентами на полезную модель.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанные в диссертации методы позволяют на стадии проектирования обеспечить требуемую эффективность КГМ совершенствованием и стабилизацией характеристик МТУ. Это сокращает затраты времени и средств на проведение НИ-ОКР и ускоряет постановку на производство и освоение новой техники. Полученные практические результаты используются и внедрены:
-при создании и модернизации промышленных тракторов кл. 35 и форсированных ДВО типа ЧВН 15/16 на заводах: ЧТЗ, ЧЗПТ и ВГМЗ;
-при проведении НИОКР по повышению технического уровня транспортных и тяговых КГМ и двигателей типа ЧВ и ЧВН 12/12,5, ЧН 14,5/20,5, Ч 7,5/8,5, В2Ч 8,2/7,8 в ГАБТУ МО РФ, ФГУП ГосНИИПТ, НЛП "Агродизель", ЧВАИ, ФГУП 21 НИИИ МО РФ, на заводах ЧТЗ и УралАЗ;
-в учебном процессе ЧВВКАИУ, РВАИ, ОТИИ.
Указанное подтверждено соответствующими актами и заключениями
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на всесоюзных, республиканских и международных конференциях: «Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания» (Москва, 1978 г.), «Проблемы автоматизации разработки двигателей» (Коломна, 1978 г.), «Повышение топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания» (Челябинск, 1982 г.), «Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС» (Владимир, 1989,1991,1995 гг.), «Проблемы формирования рациональных эксплуатационных характеристик двигателей военной автомобильной техники» (Ленинград, 1989,1990,1991 гг.), «Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин» (Челябинск, 1991,1999 г.г.), «Естественные науки в военном деле» (в рамках 4-ой Международной выставки вооружения и военной техники, Омск, 2001 г.), международном Форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва, 2002,2003,2004 гг.), «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения» (Челябинск, 2003 г.), научно-технических конференциях и семинарах ЧПИ, ЧИ-МЭСХ, ЧВВАИУ, ЮУрГУ, ЧГАУ, ЧВАИ (Челябинск, 1977-2004 гг.), семинарах РАН (Миасс, 2003 г.), ФГУП 21 НИИИ МО (Бронницы, 1990 г.), технических советах и совещаниях НАТИ (Москва, 1981 г.), НАМИ (Москва, 1983-1985 гг.), ЦНИТА (Ленинград, 1980 г.), Чф НАТИ (Челябинск, 1978 г.), ВГМЗ (Волгоград, 1978-1990 гг.), ВТЗ (Владимир, 1990 г.), НИКТИД (Владимир, 1989-1991 гг.), УралАЗ, ВП 1213 (Миасс, 1983-1989 гг.), НТК ГАБТУ МО (Москва, 1989 г.), ЧТЗ (Челябинск, 1978-1981гг.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано более 80 работ, общим объемом 16,2 п.л., подготовлено 6 научно-технических отчетов, получено 7 авторских свидетельств, свидетельств и патентов на полезную модель.
Объем и содержание работы. Диссертация содержит 258 стр. текста, 156 рисунков и состоит из введения, восьми глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 234 наименования и приложений.
В первой главе рассмотрено состояние проблемы. В результате критического анализа определены основные задачи совершенствования и стабилизации характеристик МТУ на стадии проектирования и рассмотрены возможности их решения. Показана ограниченность концепций совершенствования характеристик двигателей и трансмиссий, как самостоятельных объектов оптимизации, обоснована необходимость разработки концепции и методов совершенствования характеристик МТУ, включающих их, как подсистемы. Отмечена актуальность совершенствования характеристик МТУ машин с ДВО для реализации их потенциальных преимуществ в сложных условиях применения.
Сформулированы центральная гипотеза, научная проблема, цель и задачи исследования.
Во второй главе разработаны основы исследования МТУ как энергопре-образующей системы, состоящей из двигателя и трансмиссии. Выполнено описание системы и обоснованы выходные показатели МТУ, дифференцированные в зависимости от назначения КГМ. С использованием разработанной модели энергопреобразований установлены закономерности изменения показателей МТУ и эффективности КГМ в функции мощности двигателей. Выявлена основная причина ухудшения характеристик МТУ и эффективности КГМ при действии возмущений - увеличение потерь в процессах энергопреобразований в двигателе и трансмиссии и при энергопередаче между ними. Определены требования к области допустимого изменения характеристик двигателя, дифференцированные в зависимости от назначения КГМ и типа трансмиссий, выполнение которых обеспечивает стабильность характеристик МТУ и требуемую эффективность КГМ в целом. Обоснованы методы и средства формирования и согласования характеристик двигателей и трансмиссий, компенсирующие снижение мощности двигателей в эксплуатации.
На этой основе осуществлен переход от концепции двигателей и трансмиссий как самостоятельных объектов оптимизации к концепции МТУ, рассматривающей их как подсистемы. Рациональные параметры подсистем определяются относительно требуемых выходных показателей МТУ (системы) и эффективности КГМ (надсистемы). Концепция учитывает на стадии проектирования производственные и эксплуатационные факторы и позволяет достичь требуемой эффективности КГМ за счет обеспечения стабильности и согласованности характеристик двигателя и трансмиссии.
В третьей главе разработаны методы, средства и алгоритмы решения задач анализа и синтеза характеристик энергопреобразующих систем с необходимой стабильностью. Фактором обеспечения стабильности является выполнение сформулированных условий работоспособности, о чем свидетельствует непревышение эксплуатационными значениями показателей функционирования и ограничительных параметров допустимых. Нарушение условий работоспособности является параметрическим отказом. Обосновано использование значения его вероятности для качественной и количественной оценки степени стабильности характеристик.
Для стабилизации характеристик МТУ и двигателей из многообразия ме 18 тодов, применяемых в технике, исследованы и рекомендованы методы: нормирования, нагрузочного резервирования (параметрической избыточности), снижения чувствительности к возмущениям, в том числе регулированием, уменьшения области возмущений, аварийной защиты. С использованием предложенных показателей установлены граничные условия эффективного применения методов.
В четвертой главе обоснованы допустимые значения ограничительных параметров МТУ и ДВО, обеспечивающие их требуемые долговечность и безотказность. С использованием разработанных методов и средств установлена низкая эксплуатационная стабильность характеристик исследуемых ДВО при действии систематизированных и классифицированных по различным признакам возмущений. Определены причины и обоснована необходимость совершенствования и стабилизации характеристик ДВО снижением потерь в процессах энергопреобразований.
В пятой главе разработаны и исследованы методы и средства совершенствования энергопреобразований в ДВО для повышения их показателей до современного уровня и стабилизации их характеристик при форсировании и применении в сложных условиях. Сформулированы условия работоспособности форсированного ДВО. Установлена эффективность их выполнения совокупностью общих методов стабилизации характеристик с учетом предлагаемого и нормируемого ограничительного параметра - экономически целесообразной теплоотдачи в охлаждающий воздух. Обоснованы рациональные параметры энергопреобразований в ДВО, достигнутые конкретными методами и средствами: перераспределением тепловых потоков в охлаждающий воздух путем изменения условий и способов охлаждения и воздействием на параметры рабочего цикла за счет: газотурбинного наддува с регулируемой степенью охлаждения наддувочного воздуха, сочетания воздушного охлаждения с локальным масляным, корректирования подачи топлива, применения аварийной защиты и т.д. Обеспечены форсирование ДВО до литровой мощности 18-20 кВт/л и стабилизация их характеристик, что позволило существенно увеличить среднюю мощность МТУ, производительность и эффективность агрегата на базе трактора кл.35.
В шестой главе разработаны и исследованы методы и средства совершенствования энергопреобразований в рабочем цикле для стабилизации характеристик ДВО. Моделированием установлены пути совершенствования рабочего цикла и повышения стабильности его характеристик при пристеночном, объемном и объемно-пленочном смесеобразованиях. Сформулированы условия работоспособности и установлена эффективность их реализации совокупностью методов нормирования, параметрической избыточности, уменьшения области возмущений, регулирования и других. Наиболее эффективно это обеспечено разработанными конкретными методами и средствами воздействия на характеристики выгорания топлива при объемно-пленочном смесеобразовании в разработанных полуразделенных камерах сгорания, в том числе применением разделенного впрыскивания топлива. Достигнуто существенное улучшение экономичности (до 8-12%) и динамики рабочего цикла дизеля, уменьшение виброакустической активности, степени дымности (до 1,5-1,9 раз при разделенном впрыске) и токсичности отработавших газов, тепломеханической нагру-женности основных деталей по сравнению с исходными вариантами двигателей и стабилизация их характеристик при действии возмущений. Обеспечен ресурс двигателя до 10000-12000 часов.
В седьмой главе разработаны и исследованы методы и средства совершенствования и стабилизации характеристик СВО. Сформулированы условия их работоспособности и установлена эффективность их выполнения совокупностью методов нормирования, параметрической избыточности, регулирования и других на основе повышения качества использования охлаждающего воздуха. Разработан метод определения рационального расхода охлаждающего воздуха и на его основе обоснованы рациональные параметры СВО, достигнутые конкретными методами и средствами: повышением равномерности распределения охлаждающего воздуха по потребителям и ограничением возмущений, обу 20 словленных производством и применением. Обеспечены стабилизация характеристик и повышение эффективности СВО при форсировании дизелей.
В восьмой главе разработаны и исследованы методы и средства стабилизации характеристик ДВО при применении в МО с ограниченным воздухообменом. Сформулированы условия работоспособности ДВО при установке в указанные МО. Установлена эффективность их выполнения совокупностью методов нормирования и параметрической избыточности на основе совершенствования энергопреобразований в двигателе и отсеке. Обоснованы рациональные параметры энергопреобразований в двигателе и отсеке, достигнутые конкретными методами и средствами: перераспределением тепловых потоков в охлаждающий воздух путем изменения условий и способов охлаждения и воздействием на параметры рабочего цикла; согласованием расходных характеристик отсека с характеристиками двигателя. Обеспечена стабилизация характеристик ДВО применяемых в МО с ограниченным воздухообменом, что позволило существенно улучшить характеристики МТУ трактора кл. 35 и реализовать потенциальные преимущества ДВО при применении вместо дизелей жидкостного охлаждения в сложных условиях армейской эксплуатации.
В заключении подводятся итоги выполненных исследований.
В приложении помещены материалы, подтверждающие использование и внедрение результатов работы.
3адачи совершенствования, динамика, и перспективы применения ДВО
Применение ДВО на КГМ характеризуется периодами увлечения и охлаждения. Важно на сегодняшнем этапе развития ДВО установить их соответствие предъявляемым требованиям и тенденциям совершенствования двигателей, обобщить достоинства и недостатки, определить задачи совершенствования и перспективы применения. Эффективность применения ДВО определяется не перечнем их достоинств и недостатков[90,120] а степенью их соответствия назначению КГМ [35, 40,141] и предъявляемым требованиям [66,90,153,174,207]. Как отмечает X. Маас [120], тип "...охлаждения не вопрос вкуса, а только вопрос соответствия поставленной задаче". Применимость ДВО является объективной характеристикой их технического уровня и соответствия предъявляемым требованиям. Начало их промышленного применения относится к 30-м годам прошлого века [90,120, 124,153,220]. Первые ДВО, несовершенные по конструкции и технологии изготовления, характеризовались низкими надежностью и уровнем удельных показателей и высокими эксплуатационными расходами [120, 124,153]. Их применение на КГМ не давало положительных результатов [120]. Однако, высокая приспособленность ДВО к эксплуатации в сложных дорожно-климатических условиях, а также их большая живучесть в экстремальных условиях (боевые действия) [90,115,120,174,210] обусловила постоянное совершенствование ДВО. В 60-е годы прошлого века были созданы ДВО, отличающиеся высоким техническим уровнем и применяемые на КГМ различного назначения [90,120,124,152,207]. Анализ [90,115,120,152,153,167] показывает, что по совокупности показателей и стабильности характеристик ДВО и двигатели жидкостного охлаждения, используемые при умеренном климате, развитой дорожной сети, высокой культуре эксплуатации примерно одинаковы. ДВО и дизели жидкостного охлаждения примерно одинаковы по: трудоёмкости и стоимости изготовления при массовом производстве; пусковым свойствам, экономичности по топливу и маслу; эксплуатационным расходам. Экономия цветного металла и трудозатрат на изготовление радиаторов и отсутствие охлаждающей жидкости не оказывают существенного влияния на эффективность КГМ. При применении ДВО отмечается сложность отопления салона и высокий уровень шума [90]. Поэтому ДВО не применяются на легковых и грузовых автомобилях грузоподъемностью до 1,5-2 т, предназначенных для городской эксплуатации [120,124,125,220].
С ужесточением условий эксплуатации (отсутствие развитых дорожной сети и системы технического обслуживания, эксплуатация при низких или высоких температурах, в безводных местностях, в ходе боевых действий) применение ДВО существенно повышает эффективность КГМ. Причиной этого является их большая приспособленность к условиям эксплуатации, постоянная готовность к работе, отсутствие опасности размораживания двигателя или выкипания охлаждающей жидкости [90,115,167], а также значительно большая живучесть при пулевых или осколочных повреждениях. Причиной последнего является уменьшение площади и вероятности повреждения и возможность работы некоторое время в аварийном режиме с повреждёнными цилиндрами и раскрытыми газовыми стыками [120,210]. Исследования, проведенные в армиях NATO, обстрелом автомобилей с двигателями, имеющими различные системы охлаждения, показывают, что почти 50% всех ремонтных затрат в этом случае падает на долю дизелей с жидкостной системой охлаждения [210].Отмечается в 4-5 раз меньшая трудоемкость обслуживания системы воздушного охлаждения (СВО) и её текущего ремонта, значительно большая ремонтопригодность ДВО, особенно в полевых условиях, и снижение эксплуатационных затрат на снабжение антифризом в зимнее время или водой в безводных местностях [90,174, 210]. Боеготовность военных КГМ обеспечивается постоянной готовностью ДВО к работе и их высокой сохраняемостью. Выполнение ДВО в виде унифицированных рядов приводит к уменьшению номенклатуры запасных частей, и способствует упрощению снабжения и соответствующих затрат. Указанное в полной мере относится к применению ДВО на КГМ другого назначения (тракторы, дорожно-строительных машины и т. д.) [66,207].
Таким образом, ДВО, применяемые на КГМ различного назначения и эксплуатируемые в сложных условиях, в том числе и в боевых, превосходят аналогичные двигатели с жидкостным охлаждением по следующим параметрам: живучести в боевых условиях; приспособленности к условиям применения; ремонтопригодности, сохраняемости, времени приведения в рабочее состояние; величине эксплуатационных расходов и более простом материально техническом снабжении. Указанное способствует повышению эффективности КГМ в целом.
В настоящее время производством ДВО занимается около 30 фирм [120, 153] с годовым выпуском более 250000 единиц. Существенных результатов в создании ДВО достигли фирмы: Lister-Petter (Англия), Lombardini (Италия)-для минитракторов, коммунальных машин и др.; ВТЗ (Россия), KHD, Porshe (Германия), SAME, Lombardini (Италия) - для сельскохозяйственных тракторов и машин, дорожно-строительных машин, и др.; ВГМЗ (Россия)- для промышленных тракторов; KHD (Германия), Tatra (Чехословакия) - для многоцелевых автомобилей и шасси; ТСМ (США) - для военных гусеничных машин (ВГМ) и БТ. Анализ конкретизирует применяемость ДВО для обеспечения эффективности КГМ различного назначения [3,12,27,28,29,66,90,120,124,152,174,207,210, 217,219],рис.1.5,1.6.
Доля ДВО, применяемых на минитракторах и коммунальных машинах составляет до 90%, на сельскохозяйственных тракторах кл. до 0,9 и стационарных установках - до 18-25% %. Они характеризуются мощностью до 20-40 кВт и умеренным уровнем форсирования. Их достоинствами, определяющими совершенство МТУ и эффективность тракторов в целом, являются высокая степень унификации, простота конструкции, достаточная приспособленность к тяжелым условиям эксплуатации, меньшие на 10-20% массогабаритные показатели и стоимость по сравнению с дизелями жидкостного охлаждения. [66,120, 184,206,207,219]. Однако необходимость повышения удельных показателей этих ДВО, безусловно, скажется на стабильности их характеристик и надежности в целом.
Системный подход к исследованию и разрешению проблемы совершен ствования характеристик МТУ
Анализ состояния вопроса, объектов и предмета исследования показывает, что разрешение сформулированных противоречий, можно отнести к организационно- оперативным задачам, решение которых возможно только в рамках системного подхода [36,37]. Он предусматривает следующие этапы исследования: - выделение исследуемой системы из более общей, анализ и декомпозиция целей её создания, обоснование критериев их достижения; - определение принципов функционирования системы, описание внешних и внутренних связей и её структуры, основанное на анализе причинно-следственных связей между входными параметрами, структурой системы и её выходными параметрами, определение их количественных характеристик; - исследование движения системы, т.е. количественных и качественных изменений её состояния при изменении входных параметров и структуры, установление степени устойчивости системы или стабильности её характеристик при действии возмущений и оценка системы; - синтез эффективных решений, обеспечивающих достижение целей системы. Эффективность КГМ выявляется при рассмотрении следующие сложных технических систем (СТС): "водитель - транспортная КГМ - местность - среда" и "оператор - агрегат - тяговая КГМ- местность - среда", рис.2.4, отличающихся числом связей с внешней средой (грунтом) [20,141, 150]. Установленная раннее (глава 1), взаимосвязь между целями и системными свойствами КГМ и частными свойствами подсистем, а также анализ структуры КГМ или её морфологическое описание показывают необходимость рассмотрения следующих подсистем: МТУ, трансмиссии, двигателя и МО.
Основным процессом, обеспечивающим эффективность КГМ, является процесс энергопреобразований в МТУ, рис. 2.5. На основе анализа этого процесса предлагается выделить два взаимосвязанных контура энергопреобразований: первичный - двигатель и вторичный - трансмиссия. Эти контуры объединены в систему двухуровневого энергопреобразования - МТУ. В двигателе процесс энергопреобразований происходит как в форме теплоты, так и в форме работы. Во вторичном контуре он зависит от типа трансмиссии. В МТ этот процесс происходит в основном в форме работы. В ГМТ имеет место обе указанные формы. Часть преобразуемой энергии выделяется в рабочую жидкость (масло). При применении ДВО система охлаждения масла трансмиссии обычно выполняется объединенной с СВО двигателя. Для стабилизации температуры масла требуются дополнительные затраты мощности двигателя N , рис.2.5.
Критерием эффективности процесса энергопреобразований является КПД, применимый к каждому контуру в отдельности и к МТУ в целом или соответствующий удельный расход топлива, в частности отнесенный к На данном этапе развития теории КГМ и двигателей решение рассмотренных задач только теоретическими методами невозможно, поэтому они дополняются экспериментальными исследованиями. Применяются стендовые и эксплуатационные испытания. Однако они [30,31,42,43,50,51,52,86,120,194, 207], не в полной мере обеспечивают возможность определения показателей МТУ при действии возмущений. В результате процессы создания новых ма шин затягиваются, а на производство часто ставятся изделия с низким уровнем надежности [30,42,43,194,207,208]. Более того, принято разделять условия эксплуатации на нормальные и реальные (рядовая эксплуатация) [73,74]. В условиях рядовой эксплуатации основные показатели функционирования МТУ (мощностные, экономические и др.) и показатели надежности существенно ниже, чем при нормальной эксплуатации [58,68,73,194,207]. Ухудшение показателей в рядовой эксплуатации свидетельствует о неприспособленности к ней МТУ и их низком качестве. Однако результаты эксплуатации ряда КГМ, в основном зарубежного производства [76,90,120,195,201], либо нефорсированных отечественных машин [58,194, 204, 207] свидетельствуют об их стабильной надежности независимо от характера эксплуатации. Это является следствием их высокого качества. В данном смысле качество- это высокая стабильность характеристик при действии возмущений. При совершенствовании МТУ происходит самооптимизация указанного путем постоянного выявления новых возмущений и внедрения технических решений их компенсирующих. Это связано с большими затратами и нецелесообразно на современном этапе. Поэтому для разрешения проблемы совершенствования характеристик МТУ на стадии проектирования применены положения метода имитационного моделирования [6,85,174,199,202]. Он позволяет в рамках единой методологии, рис 2.6, решать задачи анализа (исследование поведения МТУ при действии возмущений и определение соответствия предъявляемым требованиям и условиям применения) и задачи синтеза эффективных решений. Последнее предусматривает следующие этапы: определение возможностей совершенствования характеристик КГМ, МТУ, двигателей и их подсистем; их реализация путем разработки соответствующих методов и средств и оценка их эффективности. При реализации метода учитывалось следующее
Методы синтеза стабильности характеристик МТУ, двигателей и их подсистем на стадии проектирования
При решении задачи синтеза устанавливаются пути выполнения условий работоспособности в зависимости от достигнутой стабильности характеристик и наличия ресурсов изменения параметров системы или её окружения. Согласно обоснованной концепции систематизированы и исследованы методы стабилизации характеристик МТУ, двигателей и их подсистем на стадии проектирования. Их сущность состоит в обеспечении выполнения условий работоспособности. Как отмечалось, стабилизация характеристик СТС (МТУ) в целом достигается стабильностью и согласованностью характеристик подсистем (двигателя и трансмиссии) независимо от действия возмущений. С позиций системного подхода установлен принцип обеспечения указанного, названный принцип определения «слабого звена» [36, 99]. Необходимо, в первую очередь, выявить подсистему низшего уровня, ухудшение показателей которой приводит к уси ливающемуся ухудшению показателей и эффективности подсистемы следующего уровня и обеспечить стабильность характеристик первой. Наиболее существенное улучшение выходных характеристик МТУ достигается обеспечением стабильности характеристик двигателей. Наибольшее влияние на стабильность последних оказывает ухудшение параметров рабочего цикла, энергопреобразований и т.д. В свою очередь даже небольшие отклонения в характеристиках впрыска и распыливания топлива могут существенно ухудшить качество процессов смесеобразования и сгорания и соответственно параметры рабочего цикла [15,207].Таким образом обоснованное применение методов стабилизации требует знания причинно-следственных связей между входными и выходными параметрами подсистем двигателя и степени их влияния на показатели и параметры двигателя в целом.
Так как одновременное выполнение всех требований, предъявляемым к характеристикам двигателей и МТУ, невозможно технически или нецелесообразно экономически, то необходимо решить задачу нахождения компромисса в рамках функционала "уровень показателей функционирования и ограничительных параметров - стабильность характеристик - уровень затрат на создание и функционирование двигателя".
Рассмотрение систем общих условий работоспособности позволяет определить влияние различных факторов на величины показателей и параметров и стабильность их характеристик при действии возмущений. Моделированием, на примере изменения мощности двигателя, установлено, рис. 3.3, 3.4, что её величина N3KC резко снижается с ростом чувствительности к возмущениям
К и их величин АВ. Стабильность характеристик, оцениваемая Вер ПО , возрастает при ужесточении нормирования, снижении чувствительности параметра к возмущениям и уменьшении их величин. Установлено, что для допустимого уровня стабильности характеристик величина Ne снижается с 0,95 до 0,9 при снижении жесткости нормирования ANe с 0,1 до 0,4 независимо от уровня чувствительности к возмущениям, при этом область допустимых возмущений возрастает.
Указанное определяет последовательность стабилизации характеристик. Прежде всего, необходимо ужесточить нормирование допустимого по конкретным признакам изменения уровня показателя или параметра. После этого целесообразно снизить чувствительность показателя к возмущениям, ограничить их величины и уменьшить вероятность их появления. В конкретных условиях, характеризуемых значительной областью возмущений, снижение чувствительности параметра к ним обеспечивает его приемлемые уровень и стабильность характеристик. Это позволяет выбирать конструктивные параметры, режимы работы, условия применения, при которых стабильность характеристик достаточно высока. Уровень показателей функционирования и стабильность характеристик СТС зависят от её структуры, параметров и возмущений, обусловленных производством и применением. Воздействие на эти факторы с целью управления, ограничения, регулирования, исключения и т.д. может привести к необходимому результату [15,36,47,48].
Ниже систематизированы и классифицированы методы стабилизации и рассмотрены основы их применения. Конструктивные методы стабилизируют характеристики, т.е. обеспечивают выполнение условий работоспособности изменением структуры и параметров систем. Организационно- технические связаны с ограничением возмущений повышением качества производства и изменением условий применения. Особое место занимает метод нормирования, ужесточающий допустимые изменения показателей функционирования и ограничительных параметров, относящийся к организационно-техническим, и реализуемый воздействием, как на конструктивные параметры системы, так и на величины возмущений. Рассматриваются методы, рис.3.5: метод нагрузочного резервирования (параметрической избыточности по показателям функционирования и ограничительным параметрам) широко применяемый в практике [35,36,48,66,91,99,129,130]. Так как все возмущения установить практически невозможно, то определенная избыточность параметров способствует стабильности характеристик. Другие методы резервирования (структурное, функциональное и т.д.) неприменимы в МТУ и двигателях [48,91,130]. Несмотря на эффективность метода, общая эффективность применения двигателя, МТУ и КГМ в целом может быть невелика из-за повышенных стоимости изготовления и эксплуатации, что определяет целесообразную избыточность в каждом конкретном случае; метод снижения чувствительности к возмущениям реализуется применением конструктивных решений, компенсирующих в определенных пределах возмущения. Разновидность метода - регулирование конструктивных парамет ров при действии возмущений. Так как обеспечение параметрической избыточ ности во всем диапазоне возмущений экономически нецелесообразно, то регу лированием за счет изменения чувствительности показателей и параметров двигателя к действию возмущений обеспечивается стабильность характеристик. Метод находит широкое применение [65,66,104,116,153,174,184], с разви тием микропроцессорной техники его возможности возрастают [27,35,53,92,104, 108,146,152,174,181];
Исследование стабильности характеристик ДВО при действии возмущений
Потенциальный или исходный уровень показателей и параметров исследуемых дизелей типа ЧВН 15/16, ЧВ 12/12,5 оценен по результатам определения их характеристик, рис.4.11-4.14, в соответствии с требованиями действующих стандартов [51,52,167,184]. Комплектация двигателей соответствовала таковой для определения номинальной мощности для тракторных дизелей и мощности брутто для автомобильных дизелей, что исключало возможности увеличения механических потерь или другое ухудшение характеристик двигателя, обусловленное особенностями их применения на конкретных КГМ. Результаты свидетельствует о достаточно высоком уровне экономических показателей исследуемых дизелей и их соответствии современному достигнутому уровню и тенденциям совершенствования. Однако, удельные показатели двигателей 8 ЧВ 12/12,5 достаточно низкие [2, 35,102,120,165,193]. Ограничительные параметры в части затрат на ФСО находятся в допустимых пределах, имеются определенные резервы их увеличения. Параметры, характеризующие дымность и токсичность отработавших газов дизелей 8 ЧВН 15/16, характеризуются незначительным запасом между достигнутым и допустимым уровнями [7,50], а параметры дизелей 8 ЧВ 12/12,5 не соответствуют современным требованиям, особенно, по характеристикам дымности отработавших газов [102,120, 193]. Дизели типа ЧВН 15/16 характеризуются неудовлетворительной динамикой рабочего цикла, значительными уровнями динамических нагрузок на детали, шума и вибрации, наоборот, дизели типа ЧВ 12/12,5 имеют один из наиболее низких среди дизелей-аналогов уровень рассмотренных показателей, несмотря на высокое значение степени сжатия (8=18-19). Ограничительные параметры, характеризующие уровень тепломеханической нагруженности деталей дизелей достаточно высоки, особенно, для дизелей типа ЧВН 15/16. Так, температуры в зоне межклапанной перемычки головки цилиндра, поршня в зоне кромки горловины камеры сгорания и верхнего поршневого кольца, носка распылителя и т. д. на номинальном режиме близки к предельно допустимым значениям, рис.4.13. Пусковые свойства дизелей соответствуют требованиям [167,184]. Применение средств облегчения пуска и совершенных предпусковых подогревателей позволяет обеспечить их высокий уровень до температур -30 С и ниже [1,12,90, 115,152,174].
Основой обеспечения рассматриваемого уровня показателей и параметров ДВО явилось применение современных конструктивных решений. Однако, несмотря на высокую степень отработанности процессов рабочего цикла, характеризующие их показатели, особенно, показатели процесса сгорания далеки от оптимальных, рис.4.14, [5,45,108,110].
Результаты длительных стендовых испытаний на режимах ГОСТ показали, что снижение мощности и увеличение расхода топлива после длительных испытаний дизелей 8 ЧВН 15/16 составило около 4,8-5,2 % при допустимом значении не более 5 % [52,159,184]. В ходе испытаний дизелей 8 ЧВН 15/16 и 8 ЧВ 12/12,5 выявлены параметрические отказы и последующие физические, вплоть до полной потери работоспособности, рис.4.1.
Указанное свидетельствует об умеренном потенциальном уровне показателей и параметров и умеренной стабильности характеристик исследуемых дизелей. Достигнутый уровень мощности ДВО типа ЧВН 15/16 без действия возмущений обеспечивает оптимальные тяговые характеристики трактора кл.35 [20,150]. ДВО типа ЧВ 12/12,5 нуждаются в совершенствовании для повышения мощностных показателей и снижения дымности и токсичности отработавших газов. Достигнутый уровень мощности этих ДВО не соответствует необходимому. Возмущения, связанные с условиями производства и применения безусловно приведут к снижению стабильности рассматриваемых характеристик, что нуждается в детальном исследовании.
